隧道关门式大塌方的处治方法与流程

本发明涉及隧道工程领域，具体是一种对隧道关门式大塌方的处治方法。

背景技术：

在围岩较差的地质条件下施工隧道，如果施工方法不当，隧道拱部钢架背后存在严重超挖脱空，在脱空部位没有有效支护、二次衬砌滞后等的情况下，隧道很容易出现关门式塌方事故。据统计资料显示，大部分塌方紧邻隧道开挖掌子面，少部分塌方远离隧道开挖掌子面。塌方位置远离掌子面，位于隧道洞口与掌子面之间的塌方，称之为关门式塌方。根据《公路隧道设计规范第一册土建工程(jtg3370.1-2018)》，对于塌方高度＞6m或塌方体积＞100m³的塌方称为大塌方。

对于隧道关门式大塌方，现行规范中没有对应的处理技术要求和处理方法，现有技术也没有相关处治方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种对隧道洞口与隧道开挖掌子面之间出现大塌方事故的处治方法，填补现有技术的空白。

本发明采用的技术方案是：隧道关门式大塌方的处治方法，将需要处治的隧道分为靠近洞口的可见塌方影响段、塌方段和靠近掌子面的不可见塌方影响段三段，处治方法包括以下步骤：

步骤一、在可见塌方影响段进行应急处理

在可见塌方影响段，对隧道两侧边墙进行反压，约束隧道两侧边墙变形；然后，填渣反压塌方体下部隧道横断面的塌渣，放缓塌渣坡面。

例如，采取临时排水措施，采用机械填渣反压紧邻塌方体的边墙，反压长度不小于10m，反压高度不低于150cm，填渣外坡比不陡于1:1；填渣反压塌渣后的坡面不陡于1:1，并在隧道起拱线部位留马道平台。

进一步的是：若塌渣没有完全塌满隧道开挖断面，塌渣表面堆渣反压到一定高度后，封堵隧道拱顶没有塌满的缺口。

步骤二、对可见塌方影响段进行临时支护及加固

s2.1确定可见塌方影响段范围：根据前期开挖揭示的工程地质情况、实际施工方法及塌方影响段有无变形和变形大小，综合判断确定可见塌方影响段的范围。

s2.2对可见塌方影响段进行临时支护：在隧道已有的初期支护的基础上，按从远离塌方段向靠近塌方段推进的施工顺序，间隔设置钢架支撑组和/或连续钢架作为临时支护，约束隧道过大变形。

具体的：在远离塌方体的隧道段，间隔布置钢架支撑组；在紧邻塌方体的隧道段，设置连续钢架。

例如：钢架支撑组施工技术要求为：在隧道拱部及边墙，按不少于3榀钢架为一组进行联合支护，相邻两组的间距为2m～5m，每榀钢架设水泥砂浆锁脚锚杆；钢架采用工字钢，钢架内缘布置纵向连接钢筋，钢架与已有的初期支护面紧贴，不能密贴处采用砼预制块支垫后喷砼填缝密实。

连续钢架施工技术要求：在隧道拱部及边墙部位已有的初期支护的基础上，沿隧道纵向间隔布置钢架，钢架采用工字钢，钢架内缘布置纵向连接筋；每榀钢架设水泥砂浆锁脚锚杆，钢架与已有的初期支护面紧贴，不能密贴处采用砼预制块或木楔支垫后喷砼填缝密实。

s2.3隧道脱空检查：确定可见塌方影响段隧道初期支护与隧道开挖轮廓面之间的空腔部位及空腔大小。例如，采用开孔检查法或地质雷达检查法确定隧道脱空情况。

s2.4回填隧道初期支护与隧道开挖轮廓面之间的空腔：采用混凝土回填整个空腔，或者在隧道拱部回填混凝土形成连续拱圈。

例如，若空腔高度小于1.5m，采用c20混凝土对整个空腔进行回填，否则在隧道拱部回填c20混凝土并形成1.5m厚的连续砼拱圈。

s2.5注浆加固：对可见塌方影响段的围岩进行注浆加固。

具体的：对可见塌方影响段紧邻塌方段的隧道段，采用超前小导管对围岩进行注浆加固；对其余可见塌方影响段的隧道段，采用小导管进行注浆，注浆施工顺序自下而上。

步骤三、对塌方段进行处治

s3.1对塌方段采用小导管注浆固结塌渣成拱法和/或开挖塌渣泵送砼回填成拱法进行处治，其中：

小导管注浆固结塌渣成拱法：采用注浆小导管超前固结加固隧道拱部的塌渣，使塌渣形成钢筋砼碎石固结拱。

开挖塌渣泵送砼回填成拱法：对隧道拱部开挖轮廓线外的塌渣进行开挖，在塌腔内灌注砼形成固结拱。

具体的：小导管注浆固结塌渣成拱法的步骤如下：

a.检查塌方区的塌渣量，若塌渣没有填满隧道开挖断面或局部隧道开挖轮廓线外无塌渣，先吹砂回填隧道开挖断面内空腔，吹填砂土层高出隧道设计开挖轮廓线，再在吹填砂土层以上通过砼回填塌腔。例如，吹填砂层的高度超出隧道设计开挖轮廓线50cm，再泵送c20砼回填塌腔，回填砼的顶面至隧道开挖拱顶向上150cm高度。

b、在隧道拱顶范围内，采用注浆小导管超前固结加固隧道拱部的塌渣，注浆小导管按小角度和大角度相结合的方式布置，其中小角度为超前向上外插角5°～10°，大角度为超前向上外插角45°～90°。

c、对隧道拱部注浆加固塌渣与塌腔两侧岩面的接触区进行加固。例如，沿隧道纵向，在隧道两侧塌方体内侧，向塌腔面岩体设置外插角水平向上的水泥砂浆锚杆，锚杆穿过塌渣锚入岩体，锚杆外露端与钢架连接。

s3.2开挖塌方段的塌渣。

例如，开挖断面以隧道起拱线为界，分为上断面与下断面两部分，分部开挖，先开挖上断面，后开挖下断面；其中，上断面采用环形分部留核心土法开挖，开挖后喷砼封闭开挖坡面。

s3.3在塌方段隧道拱部布设排水结构。

s3.4拆除可见塌方影响段的临时支护。

s3.5施工二次衬砌。

步骤四、对不可见塌方影响段进行处治

具体的：对不可见塌方影响段进行处治方法与步骤二对可见塌方影响段进行临时支护及加固的方法相同。

本发明的有益效果是：本发明以安全为前提条件，把隧道关门式大塌方洞段划分为三段，应急抢险处理后，按照从安全区域向危险区域推进的施工顺序组织施工，先施工临时支护措施，再进行加固处理，按照科学的方法组织施工，做到对施工人员的最大保护，达到安全处治的目的。本发明可操作性强，最大限度降低了施工安全风险，加快了施工进度，提高了工程质量，从多方面节约了工程投资，在处理关门式大塌方方面具有广泛的应用价值。

附图说明

图1是隧道关门式大塌方相对位置关系示意图。

图2是本发明处治关门式大塌方过程中隧道纵断面示意图。

图3和图4是本发明对塌方段采用小导管注浆固结塌渣成拱的横断面示意图。

图5是本发明对塌方段采用开挖塌渣泵送砼回填成拱的横断面示意图。

图6是本发明注浆加固处理纵断面示意图。

附图标记：可见塌方影响段ⅰ、塌方段ⅱ、不可见塌方影响段ⅲ、掌子面1、塌渣2、初期支护3、二次衬砌4、马道平台5、注浆小导管6、固结拱7、塌腔8、塌腔面9、系统锚杆10、仰拱11、仰拱充填12、超前锚杆13、钢筋砼碎石固结拱14、排水孔15。

具体实施方式

本发明适用于隧道拱部钢架背后存在超挖脱空，脱空部位无支护，二次砼衬砌滞后，围岩出现过大松弛变形，隧道出现关门式大塌方后，塌方体与掌子面之间无施工人员，没有人员伤亡及营救人员的情况。本发明可提炼为“三段四步法”，“三段”是指：将隧道由于出现关门式大塌方而需要处理的隧道段分为三段，分别为可见塌方影响段ⅰ、塌方段ⅱ、不可见塌方影响段ⅲ；“四步”是指对关门式大塌方的处治方法分为四个步骤，下面进行具体说明。

如图1，隧道出现关门式大塌方，隧道关门式大塌方的处治方法，将需要处治的隧道分为靠近洞口的可见塌方影响段ⅰ、塌方段ⅱ和靠近原有的掌子面1的不可见塌方影响段ⅲ三段，再按下述步骤进行处治：

步骤一、在可见塌方影响段ⅰ进行应急处理

隧道塌方后，如果不及时采取适当的应急处理措施约束隧道塌口，塌方有可能继续扩大，所以在确保安全的前提条件下，根据现场需要，采取应急处理措施避免塌方继续扩大。

在可见塌方影响段ⅰ，紧靠可见塌方边界附近，对隧道两侧边墙进行反压，约束隧道两侧边墙变形，预防可见塌方影响段ⅰ垮塌。反压可采用机械填渣方式，反压长度一般不小于10m，隧道两侧边墙反压塌渣的高度不低于150cm，填渣外坡比不陡于1:1，具体参见图2中的仰拱11和仰拱充填12。然后，在现有的塌渣坡面上填渣反压塌方体下部隧道横断面的塌渣2，放缓塌渣2坡面，为后续封堵塌渣体上部塌口及塌方处理提供施工场地。填渣反压塌渣2后的填渣坡面不陡于1:1，并在隧道起拱线部位留150cm宽的马道平台5。

塌方基本稳定，塌渣2没有完全塌满隧道开挖断面时，隧道拱顶存在滚石的小缺口时，当塌渣2表面堆渣反压到一定高度后，采用装砂编织袋封堵隧道拱顶没有塌满的缺口，防止塌腔8内滚石伤人，并作为后续回填塌腔8的堵头。

步骤二、对可见塌方影响段ⅰ进行临时支护及加固

s2.1确定可见塌方影响段ⅰ范围

当可见塌方影响段ⅰ隧道拱部初期支护存在纵向裂缝、喷砼开裂、局部剥落、裂缝处钢架出现扭曲变形，基本可以判断钢架与开挖岩面间存在大量超挖脱空问题，脱空部位岩体没有锚喷支护，这种地段潜在随时垮塌的重大安全风险，应该归入可见塌方影响段ⅰ。根据前期开挖揭示的工程地质情况、实际施工方法及塌方影响段有无变形和变形大小，综合判断确定可见塌方影响段ⅰ的范围及安全状况，为后续提出合理的临时支护措施及加固措施提供依据。

s2.2对可见塌方影响段ⅰ进行临时支护

在隧道已有的初期支护3的基础上，按从远离塌方段ⅱ向靠近塌方段ⅱ推进的施工顺序，间隔设置钢架支撑组和/或连续钢架作为临时支护，约束隧道过大变形，预防垮塌，为后续加固施工提供安全措施。例如，在远离塌方体，即远离塌渣2的隧道段，间隔布置钢架支撑组；在紧邻塌方体的隧道段，设置连续钢架。下面给出一种关于钢架支撑组和连续钢架具体技术要求。

钢架支撑组的施工技术要求：在远离塌方体，塌方影响不大的隧道段，在隧道拱部及边墙，按不少于3榀钢架为一组联合支护，相邻两组钢架支撑组之间间隔2m～5m。钢架采用i18工字钢，钢架间纵向间距100cm，钢架内缘按环向100cm间距布置c22纵向连接钢筋。每榀钢架设6根水泥砂浆锁脚锚杆(c22，l＝3.5m/根)；钢架与已有的初期支护3面紧贴，不能密贴处采用c20砼预制块支垫后喷c20砼填缝密实。

连续钢架施工技术要求：在紧邻塌方体、塌方影响大的隧道段，在隧道拱部及边墙部位已有的初期支护3的基础上，按照纵向100cm间距设i18工字钢钢架作为临时支撑，钢架内缘按环向100cm间距布置c22纵向连接筋；每榀钢架设5根水泥砂浆锁脚锚杆(c22，l＝3.5m/根)，锚杆设置于每榀钢架的每个单元中部，锚杆外露端制作成u型弯钩并与钢架相连并焊接牢固；钢架与已有的初期支护3面紧贴，不能密贴处采用c20砼预制块或木楔支垫后喷c20砼填缝密实。

钢架支撑组和连续钢架的施工顺序：按照从远离塌方段ⅱ的安全区向塌方段ⅱ的危险区推进的施工顺序施工临时钢架，即先施工临时钢架支撑组，再施工连续钢架支护。

s2.3隧道脱空检查

采用开孔检查法或地质雷达检查法，检查并确定可见塌方影响段ⅰ隧道初期支护3与隧道开挖轮廓面之间的空腔部位及空腔大小。

s2.4回填隧道初期支护3与隧道开挖轮廓面之间的空腔

采用混凝土回填整个空腔，或者在隧道拱部回填混凝土形成连续拱圈。例如，根据空腔部位及空腔大小，在较大超挖脱空处设a108混凝土泵送管，泵送c20混凝土回填空腔，空腔高度小于1.5m时，采用c20混凝土对整个空腔进行回填；否则在隧道拱部回填c20混凝土并形成1.5m厚的连续砼拱圈。

s2.5注浆加固

对可见塌方影响段ⅰ的围岩进行注浆加固。例如，对可见塌方影响段ⅰ紧邻塌方段ⅱ的隧道段，采用超前小导管对围岩进行注浆加固；对其余可见塌方影响段ⅰ的隧道段，采用小导管进行注浆，注浆施工顺序自下而上。

可见塌方影响段ⅰ与塌方段ⅱ紧邻的隧道段是特别危险的地段，例如与塌方段ⅱ紧邻的5m段的隧道，采用超前大角度注浆小导管对围岩进行注浆加固。下面提供一种具体的注浆参数：在隧道拱部120°范围内，按照环向100cm、纵向200cm间距，梅花形布设超前向上45°大角度的固结注浆小导管(a42×4，长度l＝4.5m/根)，注m20水泥浆，每根小导管平均注p.o42.5水泥量150kg。

可见塌方影响段ⅰ的隧道段的拱部120°范围内，按照1.0m(环向)×1.0m(纵向)间距，梅花形布设径向注浆小导管(a42×4，l＝1.0m/根)。小导管尾端30cm不设注浆孔，其余段按照纵向15cm间距设3排直径为a8的梅花型注浆孔，注m20水泥浆，限量注浆，单根小导管平均注浆量注p.o42.5水泥量100kg/根，水灰比1:1。

注浆施工应自下而上，采取相应措施确保注浆质量，以期注浆加固后在隧道开挖轮廓线外形成不小于300cm厚的连续固结拱圈。

步骤三、对塌方段ⅱ进行处治

s3.1对塌方段ⅱ采用小导管注浆固结塌渣2成拱法、开挖塌渣2泵送砼回填成拱法或大管棚支护法进行处治。其中，小导管注浆固结塌渣2成拱法是指：采用注浆小导管6超前固结加固隧道拱部的塌渣2，使塌渣2形成钢筋砼碎石固结拱14，参见图3和图4。开挖塌渣2泵送砼回填成拱法是指：对隧道拱部开挖轮廓线外的塌渣2进行开挖，在塌腔8内灌注砼形成固结拱7，参见图5。开挖塌渣2泵送砼回填成拱法适用于隧道开挖轮廓线外塌渣2的厚度不大的情况。

在实际工程中，根据隧道塌方情况、实际工程地质情况、隧道塌方后已经实施的应急抢险处理措施，在确保安全的前提下，结合隧道的使用功能，按照经济合理的原则，比较选择上述某种处治方案或者某几种方案的结合方案。下面以“小导管注浆固结塌渣2成拱法”为例进行具体说明。

隧道的塌腔8不稳定，存在继续垮塌的安全风险，隧道开挖轮廓线外有厚度在2m以上的塌渣时，可采用小导管注浆固结塌渣成拱方案。塌方段ⅱ按照原设计衬砌类型施工(初期支护参数：i18钢架，间距100cm；单层钢筋网，间距20×20cm；喷c20砼厚度25cm；预留变形量8cm。二次衬砌：全环c25钢筋砼衬砌，厚度45cm；双层主筋：c22环向主筋纵向间距250mm；c12纵向筋环向间距200mm；a6箍筋：环向间距50cm，纵向间距25cm)。小导管注浆固结塌渣2成拱法的步骤以及局部支护参数具体如下：

a、检查塌方区的塌渣量，若局部隧道开挖轮廓线外无塌渣或局部隧道开挖轮廓线外无塌渣2，先吹砂回填隧道开挖断面内空腔，并超出隧道设计开挖轮廓线50cm，然后在吹填砂层上泵送c20砼回填较大的塌腔9，回填砼顶面高度至隧道开挖拱顶向上150cm高度即可。

b采用注浆小导管6超前固结加固隧道拱部的塌渣2。若隧道拱部开挖轮廓线外有不少于2m厚的塌渣2，开挖轮廓线外的塌渣2内一般没有空腔，上段的步骤a可以省略。具体的，采用不同角度的注浆小导管6超前固结加固隧道拱部塌渣2，注浆加固后，使隧道拱部一定厚度的塌渣2形成钢筋砼碎石固结拱14，参见图3和图4。例如，钢筋砼碎石固结拱14的具体支护参数如下：

超前小角度的注浆小导管6：在隧道拱部120°范围内设超前小角度注浆小导管6(a42×4，l＝4.5m/根)，小导管环向间距30cm，纵向间距100cm，超前向上外插角5°～10°。注浆小导管6周壁按照通常方法设梅花形注浆孔，注m20水泥浆，注浆量限量控制，每根注浆小导管6平均注p.o42.5水泥量100kg。

超前大角度的注浆小导管6：在隧道拱部120°范围内设超前大角度注浆小导管6(a42×4，l＝4.5m/根)，小导管环向间距100cm，纵向间距50cm，超前向上外插角45°～90°。注浆小导管6周壁按照通常方法设梅花形注浆孔，注m20水泥浆，注浆量限量控制，每根注浆小导管6平均注p.o42.5水泥量350kg。

塌方段ⅱ隧道拱部120°范围内的系统锚杆10取消，其余部位的系统锚杆10按照原设计锚杆支护参数施工。

c、对隧道拱部注浆加固塌渣2与塌腔8两侧岩面的接触区进行加固

隧道拱部注浆加固的塌渣2与塌腔岩面接触的两侧接触面是需要加固的区域。下面列举一种具体的支护参数：沿隧道纵向，在隧道两侧塌方体内侧向塌腔面岩体，每侧各设置2排外插角水平向上角度45°的水泥砂浆锚杆，锚杆穿过塌渣锚入岩体，锚入岩体长度不小于100cm。锚杆型号：c25，l＝4.5m/根，环向间距100cm，纵向间距50cm，锚杆外露端与钢架采用u型钢筋焊接连接。

s3.2开挖塌方段ⅱ的塌渣2

隧道开挖断面以隧道起拱线为界面，分为上断面与下断面两部分，分部开挖，先开挖上断面，等上断面塌方体处理完毕后再开挖下半断面塌渣。上断面采用环形分部留核心土法开挖，每循环开挖进尺按照一榀钢架的距离控制。上断面开挖预留核心土坡比1:1，开挖后喷c20砼厚8cm，封闭开挖坡面。下断面塌渣的单次开挖长度，根据其上部塌方处理情况及隧道边墙有无变形确定。隧道开挖预留变形量15cm。

s3.3在塌方段ⅱ隧道拱部布设排水结构。

隧道塌方处理完毕，二次衬砌前，在塌方段ⅱ隧道拱部设置排水孔，排水孔贯穿固结拱7或钢筋砼碎石固结拱14，达到引排塌渣体内积水的目的。例如，在塌方段ⅱ隧道拱部按照2m间距梅花形布设直径不小于50cm的竖向排水孔15，参见图5，排水孔15的具体长度以及位置现场根据实际需要确定。

s3.4拆除可见塌方影响段ⅰ的临时支护。隧道塌方处理完毕后，拆除可见塌方影响段ⅰ的临时支护。

s3.5施工二次衬砌4。按照原设计衬砌类型与支护参数，及时施工二次钢筋砼衬砌，如果原设计衬砌偏弱，可以根据实际需要加强配筋及提高砼标号。

步骤四、对不可见塌方影响段ⅲ进行处治

可见塌方影响段ⅰ加固处理完毕，不可见塌方影响段ⅲ实际变为可见的。对不可见塌方影响段ⅲ可按现有方法进行处治，或者按照对步骤二对可见塌方影响段ⅰ进行临时支护及加固的方法组织施工。

隧道关门式大塌方的处治方法的安全施工技术要求如下：

(1)按照从进口安全区域向塌方危险区域推进的顺序施工。施工顺序为：填渣反压塌渣及两侧墙脚→加固可见塌方影响段→塌方处理→加固不可见塌方影响段→拆除临时支护→施工防水设施→二次衬砌。

(2)塌渣体反压回填后，施工塌方影响段临时钢架支护，临时钢架支护施工完毕后，方可进行超挖脱空部位混凝土回填工作，c20砼回填完毕后再进行小导管注浆加固。

(3)小导管注浆加固安全施工注意事项：按照从安全区向危险区推进的方式，自下而上，两侧对称，间隔跳孔，从无水区向有水区推进的方式选择合理的注浆施工顺序。若出现串浆时应暂停注浆，分析原因，并采取适当措施后再注浆，以控制浆液流入塌方段塌渣体和避免浆液浪费；如实记录注浆量，形成实际施工过程资料。当出现吃浆异常情况要及时通知参建各方，经共同研究注浆效果后再确定下步工作。

(4)按照研究确定的隧道塌方处理方案施工。施工过程中，如果条件发生变化，可根据现场实际需要，由参建四方研究确定调整内容，动态设计。

(5)隧道塌方处理为危大工程，施工前应由施工单位根据塌方处理方案要求编写有针对性的安全施工技术措施，在安全施工技术措施中必须有确保安全施工的方法和安全保障措施。安全施工措施经施工单位总工程师审查、签字确认，总监理工程师审核批准后，按照安全生产法相关要求，由施工项目部做好安全培训及安全技术交底后组织施工。现场设专职安全员，做好施工过程安全管理工作。施工过程中，做好隧道内、外监控量测工作；设置逃生管道等措施，确保施工安全。

(6)施工前，先做好临时排水设施，避免洞内积水浸泡、软化围岩，尤其要关注积水对初期支护钢架底部围岩的影响。

(7)加强施工作业面的通风及照明，特别要加强塌方段的照明。

(8)根据确定的支护参数，结合现场实际情况合理组织施工，确保施工过程安全。

(9)隧道拱部塌方处理工作全部完成，注浆及泵送砼强度不低于设计75％的强度要求，在确保安全的情况下，根据实际情况，选择合理的施工方法实施其下部塌渣的开挖及两侧隧道边墙的支护工作。